《毛細(xì)現(xiàn)象及包氣帶水的運(yùn)動(dòng)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《毛細(xì)現(xiàn)象及包氣帶水的運(yùn)動(dòng)（29頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、第 五 章 毛 細(xì) 現(xiàn) 象 與 包 氣 帶 水 的 運(yùn) 動(dòng) 01 主 要 內(nèi) 容 ： 掌 握 與 毛 細(xì) 水 有 關(guān) 的 毛 細(xì) 力 、 毛 細(xì) 負(fù) 壓 、 毛細(xì) 上 升 高 度 和 毛 細(xì) 上 升 速 度 的 概 念 ； 了 解 毛 細(xì) 負(fù) 壓 的 測(cè)定 方 法 ； 了 解 砂 土 中 水 的 毛 細(xì) 上 升 高 度 與 速 度 的 確 定 方法 以 及 影 響 因 素 ； 了 解 包 氣 帶 水 分 分 布 特 點(diǎn) 、 包 氣 帶 含水 量 的 變 化 與 水 勢(shì) 、 滲 透 系 數(shù) 的 關(guān) 系 ， 了 解 包 氣 帶 水 運(yùn)動(dòng) 的 基 本 特 征 。 02 重 難 點(diǎn) ： 掌 握 毛 細(xì)
2、 負(fù) 壓 、 毛 細(xì) 上 升 高 度 和 毛細(xì) 上 升 速 度 的 概 念 ； 包 氣 帶 土 層 含 水 量 與 水勢(shì) 和 滲 透 系 數(shù) 的 變 化 關(guān) 系 。 在第三章我們了解到：在包氣帶中，巖石空隙沒(méi)有被液態(tài)水所充滿，空隙中包含空氣。 包氣帶的空隙水：壁面吸附有結(jié)合水，細(xì)小空隙中含有毛細(xì)水，未被液態(tài)水占據(jù)的空隙中包含空氣及氣態(tài)水，空隙中的水超過(guò)吸附力和毛細(xì)力所能支持的量時(shí)，空隙中的水便以過(guò)路重力水的形式向下運(yùn)動(dòng)。因此，包氣帶水的存在形式與運(yùn)移與細(xì)小孔隙的毛細(xì)現(xiàn)象與毛細(xì)力有著密切的關(guān)系。第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 5. 1 毛 細(xì) 現(xiàn) 象 的 實(shí) 質(zhì) 包氣帶是復(fù)雜的三相體系，除了
3、水和固體介質(zhì)，還有空氣。在此特殊條件下出現(xiàn)的受毛細(xì)力及重力共同作用的毛細(xì)水，使包氣帶水的運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)較飽水帶為復(fù)雜。l 毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì) 將細(xì)小的玻璃管插入水中，水會(huì)在管中上升到一定高度才停止，這便是固、液、氣三相界面上產(chǎn)生的毛細(xì)現(xiàn)象（圖5-1）。 它的產(chǎn)生與表面張力有關(guān)。表面張力：沿著液體表面，垂直作用于單位長(zhǎng)度上的緊縮力，稱為表面張力。彎曲的液面將對(duì)液面以內(nèi)的液體產(chǎn)生附加表面壓強(qiáng)。第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 圖 51 毛 細(xì) 現(xiàn) 象 與 附 加 表 面 壓 強(qiáng) （ a凹 形 的 液 面 產(chǎn) 生 負(fù) 的 表 面 壓 強(qiáng) ； b凸 形 的 液 面 產(chǎn) 生 正 的 表 面 壓 強(qiáng) ） 液 體 的
4、 表 面 張 力 任 何 液 體 都 有 力 圖 縮 小 其 表 面 的 趨 勢(shì) 。 一 個(gè) 液 滴 總是 力 求 成 為 球 狀 ， 因 為 球 狀 是 同 一 容 積 的 液 體 表 面 最 小的 形 狀 。 表 面 張 力 ： f L L 指 液 面 上 距 離 ；稱 為 表 面 張 力 系 數(shù) ， 單 位 ： dyn/cm。 (1dyn=10-5N)。第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng)l 毛 細(xì) 現(xiàn) 象 的 產(chǎn) 生 的 機(jī) 理 附加表面壓強(qiáng) 由于液體與固體之間吸附力（潤(rùn)濕）與表面張力大小的懸殊，從而使液面發(fā)生彎曲。表面張力沿彎曲液面的法向量的分量，對(duì)液面以內(nèi)的液體產(chǎn)生附加表面壓強(qiáng)。 附
5、加表面壓強(qiáng)總是指向液面的曲率中心方向： 凸起的彎液面，對(duì)液面內(nèi)側(cè)的液體，附加一個(gè)正的表面壓強(qiáng)； 凹進(jìn)的彎液面，對(duì)液面內(nèi)側(cè)的液體，附加一個(gè)負(fù)的表面壓強(qiáng)。 圖 52 半 圓 球 狀 凹 形 彎 液 面 產(chǎn) 生 負(fù) 的 附 加 表 面 壓 強(qiáng) 圖 53 附 加 表 面 壓 強(qiáng) 的 形 成 附加表面壓強(qiáng)Pc的大小： （1）半圓球形液面：設(shè)想切取一個(gè)半徑為R的半圓球形液面（圖53）。在此液面的圓周狀邊線上都存在著指向液層內(nèi)部的表面張力；表面張力合力f為 2R ，作用于垂直于面積為R2的投影圓面。表面張力所引起的附加表面壓強(qiáng) Pc為： 因此彎液面下的液體實(shí)際承受到的表面壓強(qiáng)PP 0+Pc 此中P0為大氣壓
6、力。 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) （ 5 -1 ） （ 2） 任 何 形 狀 的 彎 曲 面 :所 產(chǎn) 生 的 附 加 表 面 壓 強(qiáng) Pc 可 用 拉 普拉 斯 公 式 表 示 ： 5-2 表 面 張 力 系 數(shù) ； R1、 R2 液 體 表 面 的 兩 個(gè) 主 要 曲 率 半 徑 。 R1 R 2時(shí) ， P c 2/R。 與 （ 51） 式 完 全 相 同 ， 可 見(jiàn)（ 5-1） 式 乃 是 拉 普 拉 斯 公 式 的 特 殊 形 式 。 拉 普 拉 斯 公 式 的 含 義 是 ： 彎 曲 的 液 面 特 產(chǎn) 生 一 個(gè) 指 向 液面 凹 側(cè) 的 附 加 表 面 壓 強(qiáng) ， 附 加
7、 表 面 壓 強(qiáng) 與 表 面 張 力 系 數(shù) 成 正比 ， 與 表 面 的 曲 率 半 徑 成 反 比 。第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng))11( 21 RRaPC (3)實(shí) 際 表 面 壓 強(qiáng) ： 在彎形液面的作用下，液體實(shí)際承受到的表面壓強(qiáng)（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)際表面壓強(qiáng)”）應(yīng)該等于液面大氣壓強(qiáng)P0與附加表面壓強(qiáng)Pc，即： 當(dāng) 液 面 為 凸 形 時(shí) ， 附 加 表 面 壓 強(qiáng) 是 正 的 ， 實(shí) 際 表 面 壓 強(qiáng) P P0+Pc。 如 液 面 為 凹 形 時(shí) ， 附 加 表 面 壓 強(qiáng) 是 負(fù) 的 ， 實(shí) 際 表面 壓 強(qiáng) P P0-P c。 平 的 液 面 不 產(chǎn) 生 附 加 表 面 壓
8、強(qiáng) ， 實(shí) 際 表面 壓 強(qiáng) P P0 。 （ 參 見(jiàn) 圖 51） 。 5. 2 毛 細(xì) 負(fù) 壓一、毛細(xì)負(fù)壓及毛細(xì)現(xiàn)象 毛細(xì)管在水中的凹形彎液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng) ，是個(gè)負(fù)壓強(qiáng)，稱為毛細(xì)壓強(qiáng)（或毛細(xì)負(fù)壓）。 凹形彎液面的水，由于表面張力的作用，要比平的液面小一個(gè)相當(dāng)于Pc 的壓強(qiáng)；或者說(shuō)，凹形彎液面下的水存在一個(gè)相當(dāng)于 Pc的真空值。 將半徑為r的毛細(xì)管插入水中，毛細(xì)管中的水形成凹進(jìn)的彎液面（存在負(fù)壓），并向上升起（直到水柱高度相當(dāng)于負(fù)壓），當(dāng)毛細(xì)管足夠細(xì)時(shí)，彎液面接近于凹進(jìn)的半圓球形面。 二、毛細(xì)負(fù)壓計(jì)算茹林公式 根據(jù)拉普拉斯公式， R1R 2r，毛細(xì)管中的凹面的負(fù)壓： D毛細(xì)圓管直徑。 將P
9、c 換算為水往高度(以m為單位)，則： （茹林公式） hc 毛細(xì)壓力水頭或毛細(xì)壓頭，是一個(gè)負(fù)的壓力水頭。 水的密度，等于1g/cm3； g 重力加速度，等于981cms 2； 表面張力系數(shù)，取 74 dyn/cm (=7410-3N/m)； D 毛細(xì)管直徑，單位為 mm。4 0.03cc Ph g gD D 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng)DaPra C 42PC 或 三、毛細(xì)負(fù)壓的測(cè)定方法（自選學(xué)習(xí)內(nèi)容） 張力計(jì)（負(fù)壓計(jì)）是測(cè)定土層毛細(xì)負(fù)壓的最常用儀器之一。 它一端為陶土多孔杯與充水彎管連接，多孔杯充水后透水而不透氣。將此陶土多孔杯插入土中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，張力計(jì)中的水與土中的水達(dá)到水力平衡
10、，在彎管開(kāi)口部分顯示一個(gè)穩(wěn)定的水位。由此水位到放置多孔杯處的垂直距離就是毛細(xì)壓頭 ，從圖5-5（1）可以看出它是一個(gè)負(fù)的壓力水頭，因此習(xí)慣上稱為毛細(xì)負(fù)壓。 (1)支持毛細(xì)水帶高度飽 水 帶 中 任 意 一 點(diǎn) 的 水 頭 值 H 可 表 示 為 ： H Z十 hp (5-5) 包 氣 帶 中 任 意 一 點(diǎn) 的 水 頭 值 H 可 表 示 為 ： H Z-hc (5-6) 式 中 ： Z 基 準(zhǔn) 面 高 度 (位 置 水 頭 )； hp 測(cè) 壓 高 度 (壓 力 水 頭 )； h c 毛 細(xì) 負(fù) 壓 。 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 5.3 毛 細(xì) 上 升 高 度 與 懸 掛 毛 細(xì) 水
11、 若 取 潛 水 面 為 基 準(zhǔn) ， 潛 水 面 處 任 一 點(diǎn) 飽 水 帶 水 頭 值 為 : H =0 ( Z 0， hp=o)； (5-7)若包氣帶支持毛細(xì)水的彎液面位于潛水面處（見(jiàn)圖56，B點(diǎn)），則該點(diǎn)上支持毛細(xì)水的水頭值為： H Z-hc=-hc (5-8)即比周圍潛水面水頭低 ，則在此水頭差驅(qū)動(dòng)下，支持毛細(xì)水將上升。當(dāng)支持毛細(xì)水彎液面上升到 hc處時(shí)，彎液面處（圖56，c點(diǎn)）的水頭為H 0， 此時(shí)支持毛細(xì)水帶的水頭與潛水面上重力水水頭相等，支持毛細(xì)水的彎液面即停留于潛水面的上 h c處而不再上升。最大毛細(xì)上升高度即為 hc 。 最大毛細(xì)上升高度與毛細(xì)管直徑成反比；所以顆粒細(xì)土，最大
12、毛細(xì)上升高度也大。 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 表 51 土 的 最 大 毛 細(xì) 上 升 高 度 據(jù) 西 林 別 克 丘 林 ， 1958 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) （2）懸掛毛細(xì)水的高度 毛細(xì)力與重力的平衡如圖56所示，在上層顆粒細(xì)而下層顆粒粗的層狀土中，細(xì)粒層中可形成懸掛毛細(xì)水。此時(shí)，懸掛毛細(xì)水的上下端均出現(xiàn)彎液面，下端的彎液面可以是凸的、平的或凹的。 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 5.4 包 氣 帶 水 水 分 分 布 及 運(yùn) 動(dòng)l包氣帶水分分布特征 在理想條件下，即包氣帶由均質(zhì)土構(gòu)成，無(wú)蒸發(fā)無(wú)入滲情況下，包氣帶水水分分布穩(wěn)定時(shí)，含水量的垂向分布如圖57（c）所示
13、。土層含水量的變化從上至下可分為：殘留含水帶、支持毛細(xì)水帶及毛細(xì)飽和帶 殘留含水帶：由地表向下某一深度內(nèi)含水量基本為一定值，稱為殘留含水量（ W 0），相當(dāng)于持水度。構(gòu)成土層殘留含水量的孔隙中的水包括結(jié)合水、孔隙毛細(xì)水與部分懸掛毛細(xì)水（參見(jiàn)圖57a放大圖、）。 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 支持毛細(xì)水帶：土層含水量隨著接近潛水面而增高（參見(jiàn)圖57a放大圖）。由連通不同孔隙途徑的毛細(xì)層的毛細(xì)水高度構(gòu)成。 毛細(xì)飽和帶：支持毛細(xì)水帶的下部，位于潛水面之上，土層孔隙充滿水，含水量飽和（體積含水量相當(dāng)于孔隙度）（參見(jiàn)圖57a放大圖）。第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 圖 5-7 均 質(zhì) 土 包
14、氣 帶 水 分 分 布 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) l 毛細(xì)負(fù)壓與含水量的關(guān)系 包氣帶中毛細(xì)負(fù)壓隨著含水量的變小而變大。 這是因?yàn)殡S著含水量的降低，毛細(xì)水退縮到孔隙更加細(xì)小處，彎液面的曲率增大（曲率半徑變?。?，造成毛細(xì)負(fù)壓更大。因此，毛細(xì)負(fù)壓是含水量的函數(shù)： hc=hc(W) 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) l 包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關(guān)系 飽水帶中，任一特定的均質(zhì)巖層，滲透系數(shù)K是常數(shù)。 在包氣帶中，滲透系數(shù)K隨著含水量的變小而迅速降低，K也是含水量的函數(shù)： K=K（W） 主要原因在于： 土壤含水量降低，實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝娑S之減少； 土壤含水量降低，水的實(shí)際流動(dòng)途徑的彎曲程度增大；
15、土壤含水量降低，水在更窄小的孔角通道及孔隙中流動(dòng)，阻力增大； 因此，滲透系數(shù)K與含水量呈非線性關(guān)系。 注意：在毛細(xì)飽和帶，土層含水量飽和時(shí)，其滲透系數(shù)為常量，數(shù)值上等于飽水帶中的滲透系數(shù)。 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) l包 氣 帶 水 的 運(yùn) 動(dòng)（ 1） 運(yùn) 動(dòng) 定 律 包 氣 帶 水 的 非 飽 和 流 動(dòng) ， 仍 可 用 達(dá) 西 定 律 描 述 。作 一 維 垂 直 下 滲 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 滲 透 流 速 可 表 示 為 ：第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) （ 2） 運(yùn) 動(dòng) 速 度 降 水 入 滲 補(bǔ) 給 均 質(zhì) 包 氣 帶 ， 在 地 表 形 成 一 極 薄 水 層 （ 其厚
16、度 可 忽 略 ） ， 則 當(dāng) 活 塞 式 下 滲 水 的 前 鋒 到 達(dá) 深 度 Z處 時(shí) ，位 置 水 頭 為 -Z（ 取 地 面 為 基 準(zhǔn) ， 向 上 為 正 ） ， 前 鋒 處 彎 液 面造 成 的 毛 細(xì) 壓 力 水 頭 為 hc 則 任 一 時(shí) 刻 t的 入 滲 速 率 ， 即 垂 向滲 透 流 速 為 ： 入滲初期，Z 很小，h c / Z 值很大，入滲速度很大； t 增大，Z 增大， hc / Z 0，VtK。Z ZhKV ct )1( ZhKV ct 包氣帶和飽水帶水運(yùn)動(dòng)的不同 飽 水 帶 只 存 在重 力 勢(shì) ， 包 氣 帶同 時(shí) 存 在 重 力 勢(shì) 與 毛 細(xì) 勢(shì) ；
17、飽 水 帶 的 滲 透 系 數(shù)是 個(gè) 定 值 ， 包 氣 帶的 滲 透 系 數(shù) 隨 含 水量 的 降 低 而 變 小 。 飽 水 帶 某 點(diǎn) 的 壓 力水 頭 與 含 水 量 無(wú) 關(guān) ，包 氣 帶 的 壓 力 水 頭則 是 含 水 量 的 函 數(shù) 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) 本章小結(jié) 非飽和帶中的水，除受重力影響外，毛細(xì)力作用很重要。毛細(xì)力與毛細(xì)負(fù)壓是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。 非飽和帶土層含水量是變化的，理想條件下，從地表面到潛水面，含水量逐漸變大，近水面為飽和，由于毛細(xì)力作用呈飽和帶。 非飽和帶土層的含水量，決定了土層的水勢(shì)力的大小與滲透系數(shù)的變化。 在理想條件下，包氣帶毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)同樣可用達(dá)西定律來(lái)描述 。 第五章 毛細(xì)現(xiàn)象與 包氣帶水的運(yùn)動(dòng) The end
毛細(xì)現(xiàn)象及包氣帶水的運(yùn)動(dòng)
